جميع المواد تتمدد عند تسخينها. اكتشف الباحثون سبب انكماش بعض المواد عند تسخينها. التمدد الحراري: التعريف

يقود...

11.11.2011، الجمعة، 15:58 بتوقيت موسكو

تتمدد معظم المواد عند تسخينها، ولكن هناك بعض المواد الفريدة التي تتصرف بشكل مختلف. اكتشف مهندسو معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا للمرة الأولى كيف تتقلص إحدى هذه المواد المثيرة للاهتمام، وهي ثلاثي فلوريد السكانديوم (ScF3)، عند تسخينها.

سيؤدي هذا الاكتشاف إلى فهم أعمق لسلوك جميع أنواع المواد، وسيسمح أيضًا بإنشاء مواد جديدة بها خصائص فريدة من نوعها. المواد التي لا تتمدد عند تسخينها ليست مجرد فضول علمي. وهي مفيدة في مجموعة متنوعة من التطبيقات، مثل الآليات عالية الدقة مثل الساعات، والتي يجب أن تظل دقيقة للغاية حتى عندما تتقلب درجات الحرارة.

عندما يتم تسخين المواد الصلبة، يتم فقدان معظم الحرارة بسبب الاهتزازات الذرية. وفي المواد العادية، تدفع هذه الاهتزازات الذرات بعيدًا عن بعضها البعض، مما يؤدي إلى تمدد المادة. ومع ذلك، فإن بعض المواد لها هياكل بلورية فريدة تجعلها تتقلص عند تسخينها. وتسمى هذه الخاصية بالتمدد الحراري السلبي. ولسوء الحظ، فإن هذه الهياكل البلورية معقدة للغاية، ولم يتمكن العلماء حتى الآن من معرفة كيف تتسبب الاهتزازات الذرية في تقلص حجم المادة.

خطأ 404: لا يمكن العثور على الصفحة.

ربما حدث هذا لأحد هذه الأسباب:

– خطأ عند كتابة عنوان الصفحة (URL)
- اتباع رابط "مكسور" (لا يعمل، غير صحيح).
- الصفحة المطلوبة لم تكن موجودة على الموقع مطلقًا أو تم حذفها

أنت تستطيع:

- الرجوع باستخدام زر الرجوع في المتصفح
– التحقق من الإملاء الصحيح لعنوان الصفحة (URL)
– استخدم خريطة الموقع أو انتقل إلى الصفحة الرئيسية

تغير ذلك مع اكتشاف التمدد الحراري السلبي في ScF3 عام 2010، وهي مادة مسحوقية ذات بنية بلورية بسيطة نسبيًا. ولمعرفة كيفية اهتزاز ذراتها عند تعرضها للحرارة، استخدم العلماء الأمريكيون جهاز كمبيوتر لمحاكاة سلوك كل ذرة. تمت دراسة خواص المادة أيضًا في مختبر النيوترونات بمجمع ORNL في ولاية تينيسي.

وقدمت نتائج الدراسة صورة واضحة لأول مرة عن كيفية ضغط المادة. من أجل فهم هذه العملية، عليك أن تتخيل ذرات السكانديوم والفلور ككرات متصلة ببعضها البعض عن طريق النوابض. ترتبط ذرة الفلور الأخف بذرتين سكانديوم أثقل. ومع ارتفاع درجة الحرارة، تبدأ جميع الذرات في التأرجح في عدة اتجاهات، ولكن بسبب الترتيب الخطي لذرة الفلور وذرتي سكانديوم، فإن الأولى تهتز أكثر في اتجاهات متعامدة مع النوابض. ومع كل اهتزاز، يجذب الفلور ذرات السكانديوم نحو بعضها البعض. وبما أن هذا يحدث في جميع أنحاء المادة، فإنه يتقلص في الحجم.

وكانت المفاجأة الكبرى ناجمة عن حقيقة أنه أثناء الاهتزازات القوية، تتناسب طاقة ذرة الفلور مع القوة الرابعة للإزاحة (اهتزاز القوة الرابعة أو الاهتزاز التربيعي). علاوة على ذلك، فإن معظم المواد تتميز بالاهتزازات التوافقية (التربيعية)، مثل الحركة الترددية للنوابض والبندول.

وفقًا لمؤلفي الاكتشاف، لم يتم تسجيل مذبذب كمي نقي تقريبًا من الدرجة الرابعة في البلورات من قبل. وهذا يعني أن دراسة ScF3 في المستقبل ستجعل من الممكن إنشاء مواد ذات خصائص حرارية فريدة.

إن التغير في الأبعاد الخطية للجسم عند تسخينه يتناسب مع التغير في درجة الحرارة.

الغالبية العظمى من المواد تتمدد عند تسخينها. يمكن تفسير ذلك بسهولة من وجهة نظر النظرية الميكانيكية للحرارة، لأنه عند تسخينها، تبدأ جزيئات أو ذرات المادة في التحرك بشكل أسرع. في المواد الصلبةتبدأ الذرات في الاهتزاز بسعة أكبر حول متوسط موضعها في الشبكة البلورية، وتتطلب مساحة حرة أكبر. ونتيجة لذلك، يتوسع الجسم. وكذلك السوائل والغازات في معظمها تتمدد مع زيادة درجة الحرارة بسبب زيادة سرعة الحركة الحرارية للجزيئات الحرة ( سم.قانون بويل ماريوت، قانون تشارلز، معادلة الغاز المثالي).

ينص القانون الأساسي للتمدد الحراري على أن الجسم ذو حجم خطي لفي البعد المقابل عندما ترتفع درجة حرارته بمقدار Δ تيتوسع بمبلغ Δ ل، يساوي:

Δ ل = ألفاΔ ت

أين α — ما يسمى معامل التمدد الحراري الخطي.تتوفر صيغ مماثلة لحساب التغيرات في مساحة وحجم الجسم. في أبسط الحالات المقدمة، عندما لا يعتمد معامل التمدد الحراري على درجة الحرارة أو اتجاه التمدد، فإن المادة سوف تتمدد بشكل منتظم في جميع الاتجاهات بما يتوافق تمامًا مع الصيغة المذكورة أعلاه.

بالنسبة للمهندسين، يعتبر التمدد الحراري ظاهرة حيوية. عند تصميم جسر فولاذي عبر نهر في مدينة ذات مناخ قاري، فمن المستحيل عدم مراعاة التغيرات المحتملة في درجات الحرارة التي تتراوح من -40 درجة مئوية إلى +40 درجة مئوية على مدار العام. ستتسبب مثل هذه الاختلافات في تغيير الطول الإجمالي للجسر حتى عدة أمتار، وحتى لا ينتفخ الجسر في الصيف ولا يتعرض لأحمال شد قوية في الشتاء، يقوم المصممون بتكوين الجسر من أقسام منفصلة، وربطها مع خاص المفاصل العازلة الحرارية، وهي عبارة عن صفوف من الأسنان المترابطة، ولكنها غير متصلة بشكل صارم، وتغلق بإحكام في الحرارة وتتباعد بشكل كبير في البرد. على جسر طويل قد يكون هناك عدد لا بأس به من هذه المخازن المؤقتة.

ومع ذلك، ليست كل المواد، وخاصة المواد الصلبة البلورية، تتوسع بشكل موحد في جميع الاتجاهات. وليس كل المواد تتمدد بالتساوي عند درجات حرارة مختلفة. وأبرز مثال على النوع الأخير هو الماء. عندما يبرد الماء، فإنه ينكمش أولاً، مثل معظم المواد. ومع ذلك، من +4 درجة مئوية إلى نقطة التجمد 0 درجة مئوية، يبدأ الماء في التوسع عند تبريده والانكماش عند تسخينه (من وجهة نظر الصيغة المذكورة أعلاه، يمكننا القول أنه في نطاق درجة الحرارة من 0 درجة مئوية إلى +4 درجة مئوية معامل التمدد الحراري للمياه α يأخذ قيمة سلبية). وبفضل هذا التأثير النادر، لا تتجمد البحار والمحيطات على الأرض حتى في أشد حالات الصقيع: فالماء الأبرد من +4 درجة مئوية يصبح أقل كثافة من الماء الأكثر دفئًا ويطفو على السطح، مما يؤدي إلى إزاحة الماء بدرجة الحرارة. أعلى من +4 درجة مئوية إلى الأسفل.

ما الجليد لديه الثقل النوعيكثافة الماء أقل من كثافة الماء هي خاصية شاذة أخرى للمياه (على الرغم من عدم ارتباطها بالخاصية السابقة)، والتي ندين لها بوجود الحياة على كوكبنا. ولولا هذا التأثير، لكان الجليد قد غرق في قاع الأنهار والبحيرات والمحيطات، ولتجمد مرة أخرى في القاع، مما أدى إلى مقتل جميع الكائنات الحية.

عندما يتم تسخين جسم متجانس بشكل موحد، فإنه لا ينهار، ولكن التسخين غير المتساوي يمكن أن يسبب إجهادًا ميكانيكيًا كبيرًا (الأحمال الداخلية). على سبيل المثال، زجاجة زجاجيةأو قد ينفجر الزجاج المصنوع من الزجاج السميك إذا تم سكبه فيه الماء الساخن. لماذا؟ بادئ ذي بدء، يحدث التسخين في الأجزاء الداخلية من الوعاء الملامس الماء الساخن. إنها تتوسع وتمارس ضغطًا قويًا على الأجزاء الخارجية الباردة من نفس الوعاء. لا ينفجر الزجاج الرقيق عند سكب الماء الساخن فيه، حيث أن أجزائه الداخلية والخارجية ترتفع درجة حرارتها بسرعة وفي نفس الوقت تقريبًا.

لا ينبغي ضم المواد المتباينة الخاضعة للتسخين والتبريد الدوريين معًا إلا إذا تغيرت أبعادها بالتساوي مع تغيرات درجة الحرارة (المواد لها معاملات مماثلة). هذا مهم بشكل خاص لأحجام المنتجات الكبيرة. على سبيل المثال، يتمدد الحديد والخرسانة بالتساوي عند تسخينهما. وهذا هو السبب في انتشار الخرسانة المسلحة على نطاق واسع، وهو محلول خرساني متصلب يُسكب في شبكة فولاذية. إذا توسع الحديد والخرسانة بشكل مختلف، فنتيجة لتقلبات درجات الحرارة اليومية والسنوية، فإن الهيكل الخرساني المسلح سوف ينهار قريبًا.

بعض الأمثلة الأخرى. الموصلات المعدنية الملحومة في الأسطوانات الزجاجية للمصابيح الكهربائية ومصابيح الراديو مصنوعة من سبيكة من الحديد والنيكل، والتي لها نفس معامل التمدد مثل الزجاج، وإلا فإن الزجاج سوف يتشقق عند تسخين المعدن. يجب أن يكون للمينا المستخدم لتغطية الأواني والمعدن الذي تصنع منه الأواني نفس معاملات التمدد الخطي. وإلا فإن المينا سوف تنفجر عندما تسخن وتبرد الأطباق المطلية بها.

يستخدم التمدد الحراري للأجسام على نطاق واسع في التكنولوجيا. دعونا نعطي فقط بعض الأمثلة. لوحتان مختلفتان (مثل الحديد والنحاس) ملحومتان أو "مثبتتان" معًا تشكلان ما يسمى الشريط ثنائي المعدن. عند تسخينها، تنحني هذه الصفائح بسبب حقيقة أن إحداها تتوسع أكثر من الأخرى. الشريط الأكثر تمددًا (النحاس) يكون دائمًا على الجانب المحدب.

تُستخدم خاصية الشرائط ثنائية المعدن على نطاق واسع لقياس درجة الحرارة وتنظيمها. يحتوي مقياس الحرارة المعدني على حلزوني مصنوع من شريطين معادن مختلفةملحومة (أو مثبتة) معًا. يتمدد أحد هذين المعدنين عند تسخينه أكثر من الآخر. بسبب التوسع من جانب واحد، تتكشف الحلزونية ويتحرك المؤشر على طول المقياس إلى اليمين. عندما يبرد، يلتف اللولب مرة أخرى ويتحرك المؤشر على طول المقياس إلى اليسار.

(ج) 2012. سافينكوفا جالينا لفوفنا (سمارة)

سيؤدي هذا الاكتشاف إلى فهم أعمق لسلوك جميع أنواع المواد، وسيسمح أيضًا بإنشاء مواد جديدة ذات خصائص فريدة. المواد التي لا تتمدد عند تسخينها ليست مجرد فضول علمي. وهي مفيدة في مجموعة متنوعة من التطبيقات، مثل الآليات عالية الدقة مثل الساعات، والتي يجب أن تظل دقيقة للغاية حتى عندما تتقلب درجات الحرارة.

وأظهرت الأبحاث التي أجراها علماء من الولايات المتحدة أن المادة التي تميل إلى الانكماش عند تسخينها، تتميز بنوع خاص من الاهتزازات الذرية لا يلاحظ في أي مادة أخرى.

عادةً ما تؤدي الحرارة إلى تمدد المواد. ولكن هناك مواد بلورية معينة تميل إلى الانكماش عند تسخينها، أو كما يقولون في العالم العلمي، لها معامل تمدد حراري سلبي. تتمتع هذه المواد بأهمية عملية كبيرة: يمكن دمجها، على سبيل المثال، مع المواد التقليدية الحالية لإنتاج حشوات الأسنان ومرايا التلسكوبات وغيرها من الأشياء التي تحتاج إلى أبعاد ثابتة على نطاق واسع من درجات الحرارة. ومن الأمثلة الجيدة على مثل هذه المادة تنغستات الزركونيوم (ZrW 2 O 8)، التي تظهر ضغطًا بنسبة 0.001٪ لكل درجة كلفن على مدى آلاف الدرجات. ووفقا للنموذج الهندسي لتنغستات الزركونيوم، فإن رباعي الأسطح وثماني الأسطح الذي يتكون منه التركيب البلوري للمادة يظل جامدا، ولكن يمكن أن يدور حول محوره عند تسخينه، مما يقلل من حجم المادة بسبب تكوين الطيات داخلها. بناء. تشكل هذه الهياكل البلورية ما يسمى بأنماط الاهتزاز الصلبة.

في أحد ممثلي فئة المواد ذات معامل التمدد الحراري السلبي، اكتشف علماء من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (الولايات المتحدة الأمريكية) مؤخرًا اهتزازات غير ملحوظة سابقًا للشبكة البلورية. وإذا تخيلنا هذه التذبذبات من وجهة نظر الميكانيكا، فإن صلابة "الزنبرك الذري"، الذي يحدد معاملات التذبذبات، في هذه الحالة تزداد عندما يتم شد "الزنبرك"، على عكس الحالة الكلاسيكية لـ التذبذبات الذرية، حيث يظل هذا "الصلابة الفعالة" ثابتًا. ونشرت النتائج التفصيلية للعمل في المجلة رسائل المراجعة البدنية.

وفقا للعلماء، عند نمذجة أوضاع الاهتزاز الصلبة، فإن القوى التي تتحكم في حركات الأشياء الفردية عادة لا تؤخذ في الاعتبار. يحدث هذا لأنه في مثل هذه البلورات يكون من الصعب للغاية حساب القوى داخل المجمع. وفي نفس تنغستات الزركونيوم، تتضمن خلية الوحدة، التي تتكرر بشكل دوري داخل البلورة، 44 ذرة. ولكن في الآونة الأخيرة، اكتشف العلماء أن مركب ثلاثي فلوريد السكانديوم (ScF 3) له خصائص مماثلة لتنغستات الزركونيوم في نطاق درجات الحرارة من 10 إلى 1100 درجة كلفن. لا يوجد سوى 4 ذرات في وحدة الخلية البلورية لهذه المادة، والتي يكون تحليل تفاعلاتها أسهل بكثير.

ولتقييم القوى المؤثرة داخل خلية وحدة ثلاثي فلوريد السكانديوم، قام الباحثون بتقييم طيف اهتزاز الشبكة البلورية باستخدام تشتت النيوترونات. وعلى وجه الخصوص، كانوا مهتمين بتردد الرنين لمختلف أنماط الاهتزاز داخل الشبكة. تم أخذ القياسات في النطاق من 7 إلى 750 درجة كلفن. كما هو متوقع، فإن معظم أوضاع الاهتزاز لم تغير عمليا تردد الرنين مع تغيرات درجة الحرارة. ومع ذلك، فقد قام أحد الأوضاع بتحويل تردد الرنين الخاص به بشكل مدهش إلى منطقة التردد العالي، كما لو أن صلابته تزداد مع زيادة درجة الحرارة.

وبعد حساب الظاهرة التي تم تحديدها، اكتشف العلماء أنه في معظم أوضاع الاهتزاز، تزداد الطاقة الكامنة بما يتناسب مع مربع المسافة بين الذرات. لكن بالنسبة للأوضاع الفردية هناك اعتماد على القوة الرابعة للمسافة. تم تأكيد هذا الافتراض بالكامل من خلال الحقائق التجريبية التي تم الكشف عنها أثناء تشتت النيوترونات.

تمثل اهتزازات الدرجة الرابعة المكتشفة مساحة ضخمة وغير مستكشفة من فيزياء البلورات، لأن الأنماط الأعلى من الاهتزازات يمكن أن تلعب أيضًا دورًا معينًا في خصائص المواد الأخرى، أي. من المحتمل أن يؤدي البحث في هذا المجال إلى تطوير مواد ذات خصائص حرارية جديدة. علاوة على ذلك، يعتقد العلماء أن اكتشافهم قد يستلزم الحاجة إلى تعديل النظريات الموجودة حول سلوك المواد التي تتقلص عند تسخينها.